橡膠混合物疲勞度測試

作者：時(shí)間：2013-05-23 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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本文將舉例說(shuō)明商業(yè)和獨立實(shí)驗室里采用的評估橡膠混合物的疲勞裂紋生長(cháng)（簡(jiǎn)稱(chēng)FCG）試驗。這些試驗對評估開(kāi)發(fā)性的替代品，例如聚合物和配方差異，以及表征工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中制備的材料非常有用。因為可能具有很高的精度，它們也能評估特種混合物的加工變量。

討論的試驗和分析將是基于能量的疲勞裂紋生長(cháng)及關(guān)聯(lián)數據，這些數據由全自動(dòng)的測試系統獲得。

我們將用兩個(gè)專(zhuān)利性的研究得到的數據實(shí)例來(lái)說(shuō)明通過(guò)有經(jīng)驗的分析能夠獲得的數據、遇到的一些普遍問(wèn)題以及與替代材料的高質(zhì)量對比。但是本文不便公開(kāi)混合物及其應用的細節，數據的類(lèi)型以及獲得數據的方法才是本文的主旨。

實(shí)驗

在敘述本工作的實(shí)驗細節之前，我們對數據分析所依賴(lài)的能量平衡原理作一些評論。Thomas基于他和Rivlin20世紀50年代率先提出研究彈性體的能量平衡方法描述了破裂標準。用T表示撕裂所需要的彈性能，或稱(chēng)“撕裂能”。對于某些樣品幾何結構，我們測定了T的值。疲勞研究最為常用的一種幾何結構是純剪切樣品，對這類(lèi)樣品而言，T值直接就是純剪切區域彈性能密度W與非應變樣品的高度h0的乘積。

T=Wh0 (1)

對應力－應變曲線(xiàn)下方的面積積分可以直接測定W。大多數情況下我們采用卸載曲線(xiàn)數據，因為它們表示儲存的能量，而負載曲線(xiàn)數據包含滯后能量。因此，在本文中由卸載應變能密度計算出的T值記做Tu。使用現代化的高速計算機獲得每加載循環(huán)一次的應力應變數據，計算每個(gè)試驗片段的Tu值。注意：方程(1)中沒(méi)有與斷裂長(cháng)度相關(guān)的項。因此，T的數值與裂紋生長(cháng)無(wú)關(guān)，下面我們會(huì )討論到這一點(diǎn)。

這里所包含的結果來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同的實(shí)驗室：密歇根州安阿伯市的Axel Products和俄亥俄州阿克隆市的實(shí)驗服務(wù)中心。將他們區分為實(shí)驗室1和實(shí)驗室2，測試按此順序進(jìn)行。

試驗采用純剪切樣品模式，也稱(chēng)為平面拉伸模式。如上所述，這種模式的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是如果最大應力水平保持不變，撕裂能T也保持不變。在進(jìn)行疲勞試驗時(shí)這就非常方便，因為測試能夠得以繼續，直到有足夠清楚的數據精確描述試驗條件下裂紋的生長(cháng)速率（△c/△n）。在這種情況下，△c直接就是給定試驗片段測量的裂紋生長(cháng)數量，△n是該片段拉伸循環(huán)的次數。既然試驗條件的嚴格性與裂紋長(cháng)度無(wú)關(guān)，那我們可以按照獲得一致性數據的要求連續測試許多片段。

盡管經(jīng)常采用橫界面為啞鈴形的純剪試件，這些研究工作中使用的試件樣品都是平整并相對較薄的（1mm）。這樣做的原因在于這些研究的主要目的是評估已被制成工業(yè)部件的混合物的性能。這就要打磨部件產(chǎn)生適合測試的平整樣品。能夠測試如此薄材料的優(yōu)勢就是能夠輕易研究一些變量，例如從很厚部件的表面到內部的固化狀態(tài)的差異。

應當明白，如果我們試圖獲得那些與厚度無(wú)關(guān)的材料性質(zhì)，并不推薦使用很薄的樣品(T1mm)，因為當厚度小于1.5mm時(shí)，厚度對這些數據會(huì )有影響。然而，如果比較同一種彈性體相同厚度樣品的結果時(shí)，出于研發(fā)的目的，一般可以忽略厚度的影響。

附表給出了兩組實(shí)驗程序中采用的測試條件。對每個(gè)測試條件下的每個(gè)測試時(shí)段而言，數據采集系統監控的變量包括：最大應力和最大應變級；最低應力和應變級；動(dòng)態(tài)模量；負載，卸載和滯后損耗能；裂紋長(cháng)度；每個(gè)測試時(shí)段的負載循環(huán)次數和累計循環(huán)次數。

佳工機電網(wǎng)

在測試進(jìn)行中，通過(guò)專(zhuān)利的計算機程序和成像系統獲取所有這些數據。這使得在相當短的時(shí)間內完成多次測試循環(huán)，而需要操作工的介入最少。

測試結束后的數據分析包括：從用數據平臺拍攝的數碼相片中反復檢查裂紋的外觀(guān)。幾乎所有的裂紋都是非常筆直水平的，具有不同程度的外觀(guān)粗糙度和裂紋尖端變鈍；計算每一個(gè)試驗片段（應變條件）重要參數的平均值，包括最大應變、模量和去載撕裂能Tu；裂紋長(cháng)度對測試的循環(huán)次數作圖；仔細檢查，去掉那些不滿(mǎn)足純剪切FCG結果客觀(guān)標準的數據；對每種應力情況，利用線(xiàn)性遞歸分析得出斜率dc/dn和遞歸系數R2；對每個(gè)樣品作圖，然后將混合物組成一定的所有樣品組合起來(lái)。

斜率dc/dn對Tu
斜率dc/dn對最大應變
模量對最大應變

為方便起見(jiàn)使用線(xiàn)性圖，dc/dn對Tu或最大應變圖的遞歸線(xiàn)是二次方函數，因為已知這些數據滿(mǎn)足這種關(guān)系。

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